一种河网模型计算的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种河网模型计算的方法和系统，其基于水力学原理对河道的水流运动进行数值模拟分析，从而对河流的水情得以准确的掌握和预报。具有运算速度快，支持类型多等优点。
【专利说明】一种河网模型计算的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及河网模型计算领域。
【背景技术】
[0002]现有的水位模拟计算软件，包括英国ISIS商业软件平台，都存在着不能够计算几何上任意复杂的河网结构，包括任意内部环状回路的拓扑连接在内、不能反映感潮河段与环状河道内的往复流、不能够很好地处理干床和干湿交替的情况、不能够处理拦河闸门、对基础数据的容错能力较差，不可处理随意断面形状、稳定性与速度较差、扩充性较差等问题。
[0003]这造成需要建设河边建筑以及河面设施的建筑商无法模拟自己将要建设的设施在任意实际河流周边存在时，这些建筑设施与相应河道的水位边界、水位流量之间的关系，并通过多次模拟，分析出在什么位置进行施工能达到施工阻力最小，受河流运动影响最小，受河流运动造成的侵害腐蚀最小，受极端河流情况造成损害最小的效果，因此无法科学准确的分析任意河流周边工程建筑的可行性并规划最合理的建筑位置。
【发明内容】
[0004]鉴于现有技术中存在的种种问题和不足，本发明提供一种河网模型计算的方法，该方法中运用到了连续方程变换、圣维南方程结合有限差分法、基于计算机图论的网状拓扑运算，其特征在于，依次包括以下步骤:
[0005]A.确定该方法所能处理的对象；
[0006]B.设定用于计算的方程；
[0007]C.设定解所述方程的方法；
[0008]D.计算模拟水位数据；
[0009]E.选择相应的数据结构；
[0010]F.选择相应的存储结构存储结果。
[0011]优选的是，步骤A中所述对象包括河道外的水体和降雨边界；河道内的断面、横断闸、侧向闸门、侧向入流、排水口、取水口、流量边界、水位边界、水位流量关系、自流边界、潮位边界、水文边界、水库边界、增强的水位流量关系边界。
[0012]进一步优选的是，所述自然边界是基于边界处为某比降的均匀流的设定进行计算，其流量计算采用曼宁公式。
[0013]进一步优选的是，所述潮位边界通过设定潮水的关键参数而直接自动算出潮位线供计算使用。
[0014]进一步优选的是，所述水文边界是通过给定面积、下渗、雨强等参数后，通过简化的水文计算给出边界处的大概流量。
[0015]进一步优选的是，所述水库边界是通过设定工程参数和水库调度规则后，模型自动估算下泄流量以纳入计算。[0016]进一步优选的是，步骤C中所述方法采用显格式算法。
[0017]进一步优选的是，步骤C中所述方法中的连续方程积分变换采用LAX格式的积分形式，对流量和水位变量采取在断面上布置流量断面中间布置水位的方式，通过差分法求得流量后，采用有限体积法对连续方程进行处理求解水位。
[0018]进一步优选的是，步骤D中所述计算模拟水位数据是通过融合了所述对圣维南方程结合有限差分法与有限体积法的半隐式数值求解以及所述基于计算机图论的网状拓扑运算进行计算的。
[0019]进一步优选的是，步骤E中所述的数据结构选用图。
[0020]进一步优选的是，步骤F中所述的存储结构采用邻接链表。
[0021]本发明还提供一种河网模型计算的系统，该方法中运用到了连续方程变换、圣维南方程结合有限差分法、基于计算机图论的网状拓扑运算，其特征在于，包括以下模块:
[0022]模块a，确定该方法所能处理的对象；
[0023]模块b，设定用于计算的方程；
[0024]模块C，设定解所述方程的方法；
[0025]模块d，计算模拟水位数据；
[0026]模块e，选择相应的数据结构；
[0027]t吴块f，选择相应的存储结构存储结果。
[0028]优选的是，模块a中所述对象包括河道外的水体和降雨边界；河道内的断面、横断闸、侧向闸门、侧向入流、排水口、取水口、流量边界、水位边界、水位流量关系、自流边界、潮位边界、水文边界、水库边界、增强的水位流量关系边界。
[0029]进一步优选的是，所述自然边界是基于边界处为某比降的均匀流的设定进行计算，其流量计算采用曼宁公式。
[0030]进一步优选的是，所述潮位边界通过设定潮水的关键参数而直接自动算出潮位线供计算使用。
[0031]进一步优选的是，所述水文边界是通过给定面积、下渗、雨强等参数后，通过简化的水文计算给出边界处的大概流量。
[0032]进一步优选的是，所述水库边界是通过设定工程参数和水库调度规则后，模型自动估算下泄流量以纳入计算。
[0033]进一步优选的是，模块c中所述方法采用显格式算法。
[0034]进一步优选的是，模块c中所述方法中的连续方程积分变换采用LAX格式的积分形式，对流量和水位变量采取在断面上布置流量断面中间布置水位的方式，通过差分法求得流量后，采用有限体积法对连续方程进行处理求解水位。
[0035]进一步优选的是，模块d中所述计算模拟水位数据是通过融合了对所述圣维南方程结合有限差分法与有限体积法的半隐式数值求解以及所述基于计算机图论的网状拓扑运算进行计算的。
[0036]进一步优选的是，模块e中所述的数据结构选用图。
[0037]进一步优选的是，模块f中所述的存储结构采用邻接链表。
[0038]本发明具有以下优点:
[0039]能够计算几何上任意复杂的河网结构，包括任意内部环状回路的拓扑连接在内，这很大程度上提升了其应用面；
[0040]能反映感潮河段与环状河道内的往复流，这增强了本模型在沿江、沿海区域与平原地区的应用性；
[0041]能够很好地处理干床和干湿交替的情况，无需采取任何额外的处理措施(诸如隐格式里的窄缝法)，这在河道水利与防洪设施比较复杂或河网不同河段的河底高程相差较大的情况下，对数模计算程序是一项比较重要的考量因素；
[0042]能够处理拦河闸门，不必要将横断闸门单独放置到一个河段中，并且同一河段中有多个闸门也能顺利计算；
[0043]对基础数据的容错能力较强，可处理随意断面形状，即使断面描述数据点的横坐标值不保持递增或者内部出现交叉都能很好处理；
[0044]稳定性与速度较好，完成全太湖流域河网(共计905个河段，768个节点，249个边界条件，4776个河道断面，109个横断闸门，I个河道外水体)3个月洪水期的计算在普通PC上运行只需要大约30分钟，比现在流行的英国ISIS商业软件平台快；
[0045]扩充性较好。模型编写时对此进行了充分考虑，其可维护性与扩充性都比较好，后续添加支持的计算对象类型比较容易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1为按照本发明一种河网模型计算的方法和系统的一具体实施例的支持对象示意图；
[0047]图2为图1所示实施例的基本方程离散示意图；
[0048]图3为图1所示实施例的隐格式干床处理窄缝法；
[0049]图4为图1所示实施例的隐格式河道处理法；
[0050]图5为图1所示实施例的显格式加权平均示意图；
[0051]图6为图1所示实施例的显格式变量分布示意图；
[0052]图7为图1所示实施例的显格式计算方法示意图；
[0053]图8为图1所示实施例的数据结构示意图；
[0054]图9为图1所示实施例的树形结构示意图；
[0055]图10为图1所示实施例的有向图示意图；
[0056]图11为图1所示实施例的邻接链表示意图；
[0057]图12为图1所示实施例的无向图和其连接链表示意图；
[0058]图13为图1所示实施例的结构图。
【具体实施方式】
[0059]为了更好地理解本发明，下面结合附图对按照本发明一种河网模型计算的方法和系统的一实施例进行详细说明。
[0060]本实施例的核心功能是基于水力学原理对河道的水流运动进行数值模拟分析，从而对河流的水情得以准确的掌握和预报。通过本实施例在实际生活中的运用，即使是在流域的复杂水力环境下，本实施例也能根据区域内的降雨边界、河道内的断面、横断闸、侧向闸门、侧向入流、排水口、取水口、流量边界、水位边界、水位流量关系等条件，准确快速的计算模拟出不同断面的水位、流量过程。
[0061]其主要用途有:
[0062]1、河道洪水预报与调度；
[0063]实现在确定性的地形条件下，针对实测降雨过程、提前预报或预估可能发生的降雨过程，可以模拟未来可能发生的洪水过程，增加洪水的预见期，提前作好防洪准备工作。实现在面临实时水雨工情条件下，通过对水库、闸门、泵站等种种防洪控制性工程的综合应用，模拟计算调度对河道洪水过程的影响，可以制定出一个准确高效的防洪策略，总而为河道及周边的安全提供了保障。
[0064]2、水利工程建设规划
[0065]具备对气候变化、海平面上升与快速城镇化背景下流域洪水风险演变情景量化分析的能力，对流域中现行治水方略的长远有效性进行分析与评价，围绕抑制与减轻流域水灾风险与支撑可持续发展的目标，从健全防洪体系、增强对气候变化的适应与承受能力等方面提出流域治水方略调整的对策建议。
[0066]3、洪水影响评价；
[0067]通过本实施例在实际生活中的运用，需要建设河边建筑以及河面设施的建筑商可以模拟自己需要建设的设施在实际河流周边存在时，这些建筑设施与相应河道的水位边界、水位流量之间的关系，通过多次模拟，可以清晰的看出在什么位置进行施工能达到施工阻力最小，受河流运动影响最小，受河流运动造成的侵害腐蚀最小，受极端河流情况造成损害最小的效果，从而可以科学准确的分析河流周边工程建筑的可行性并规划最合理的建筑位置。
[0068]4、洪水风险图制作以及洪水保险费率制定。
[0069]通过本实施例在实际生活中的运用，需要建设河边建筑以及河面设施的建筑商可以模拟自己需要建设的设施在实际河流周边存在时，河道内外各种因素之间的关系，从而能够形象具体的展现所研究河道可能会出现的种种情况。根据模拟出来的结果，可以分析各种情况下河道有可能发生洪水等极端情况的规模，概率等等，从而能够做出相应的风险评价，制定出相应的风险图，并根据计算结果和洪水风险图制定合理的洪水保险率。
[0070]本实施例所支持的模拟对象包括:河道外的水体和降雨边界；河道内的断面、横断闸、侧向闸门、侧向入流、排水口、取水口、流量边界、水位边界、水位流量关系等，如图1所示。
[0071]本实施例经过实际项目应用的检验，证明其具备较好的稳定性、速度与适应能力。相对于国内同类软件拥有如下优势:
[0072]能够计算几何上任意复杂的河网结构，包括任意内部环状回路的拓扑连接在内，这很大程度上提升了其应用面；
[0073]能反映感潮河段与环状河道内的往复流，这增强了本实施例在沿江、沿海区域与平原地区的应用性；
[0074]能够很好地处理干床和干湿交替的情况，无需采取任何额外的处理措施(诸如隐格式里的窄缝法)，这在河道水利与防洪设施比较复杂或河网不同河段的河底高程相差较大的情况下，对数模计算程序是一项比较重要的考量因素；
[0075]能够处理拦河闸门，不必要将横断闸门单独放置到一个河段中，并且同一河段中有多个闸门也能顺利计算；
[0076]对基础数据的容错能力较强，可处理随意断面形状，即使断面描述数据点的横坐标值不保持递增或者内部出现交叉都能很好处理；
[0077]稳定性与速度较好，完成全太湖流域河网(共计905个河段，768个节点，249个边界条件，4776个河道断面，109个横断闸门，I个河道外水体)3个月洪水期的计算在普通PC上运行只需要大约30分钟，比现在流行的英国ISIS商业软件平台快；
[0078]扩充性较好。本实施例编写时对此进行了充分考虑，其可维护性与扩充性都比较好，后续添加支持的计算对象类型比较容易实现。
[0079]本实施例可以用于完成大部分情况下(网状拓扑、感潮河道、往复流、拦河闸、干床、旁侧入流、大型水面)的河网洪水演进模拟，这使得模型具备了较大的应用面。为了模型在河道工程设施复杂区域以及下游边界无资料地区更好完成小范围的精细计算，本实施例还添加乐对下述5种对象的支持:
[0080]自流边界。基于边界处为某比降的均匀流的设定进行计算。流量计算采用曼宁公式；
【权利要求】
1.一种河网模型计算的方法，该方法中运用到了连续方程变换、圣维南方程结合有限差分法、基于计算机图论的网状拓扑运算，其特征在于，该方法依次包括以下步骤: 确定该方法所能处理的对象； 设定用于计算的方程； 设定解所述方程的方法； 计算模拟水位数据； 选择相应的数据结构； 选择相应的存储结构存储结果。
2.如权利要求1所述的河网模型计算方法，其特征在于，步骤A中所述对象包括河道外的水体和降雨边界；河道内的断面、横断闸、侧向闸门、侧向入流、排水口、取水口、流量边界、水位边界、水位流量关系、自流边界、潮位边界、水文边界、水库边界、增强的水位流量关系边界。
3.如权利要求2所述的河网模型计算方法，其特征在于，所述自然边界是基于边界处为某比降的均匀流的设定进行计算，其流量计算采用曼宁公式。
4.如权利要求3所述的河网模型计算方法，其特征在于，所述潮位边界通过设定潮水的关键参数而直接自动算出潮位线供计算使用。
5.如权利要求4所述的河网模型计算方法，其特征在于，所述水文边界是通过给定面积、下渗、雨强等参数后，通过简化的水文计算给出边界处的大概流量。
6.一种河网模型计算的系统，该系统中包含了连续方程变换、圣维南方程结合有限差分法、基于计算机图论的网状拓扑运算，其特征在于，其特征在于，该系统包括以下模块: 模块a，确定该方法所能处理的对象； 模块b，设定用于计算的方程； 模块C，设定解所述方程的方法； 模块d，计算模拟水位数据； 模块e，选择相应的数据结构； 模块f，选择相应的存储结构存储结果。
7.如权利要求6所述的河网模型计算系统，其特征在于，模块a中所述对象包括河道外的水体和降雨边界；河道内的断面、横断闸、侧向闸门、侧向入流、排水口、取水口、流量边界、水位边界、水位流量关系、自流边界、潮位边界、水文边界、水库边界、增强的水位流量关系边界。
8.如权利要求7所述的河网模型计算系统，其特征在于，所述自然边界是基于边界处为某比降的均匀流的设定进行计算，其流量计算采用曼宁公式。
9.如权利要求8所述的河网模型计算系统，其特征在于，所述潮位边界通过设定潮水的关键参数而直接自动算出潮位线供计算使用。
10.如权利要求9所述的河网模型计算系统，其特征在于，所述水文边界是通过给定面积、下渗、雨强等参数后，通过简化的水文计算给出边界处的大概流量。
【文档编号】G06F19/00GK103853934SQ201410124364
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】胡昌伟, 刘舒 申请人:刘舒